Оглавление

1. Введение 2

1.1 Что такое электрический пробой? 2

1.2 Как это выглядит на практике? 2

1.3 Как ведут себя диэлектрики в электрическом поле? 3

2. Основные виды пробоя твердых диэлектриков 4

2.1 Тепловой пробой 4

2.2 Электронный (ударный) пробой 4

2.3 Электромеханический пробой 4

2.4 Частичные разряды 5

2.5 От чего зависит электрическая прочность диэлектриков 5

3. Теория пробоя Хиппеля-Каллена: ударная ионизация 6

4. Теория пробоя Фрелиха: квантовые эффекты 8

5. Отличие между теориями 10

6. Как изучают пробой на практике 11

Вывод 13

Список литературы 14

1. Введение

В современной электротехнике и энергетике диэлектрики играют ключевую роль — они изолируют токоведущие части, предотвращают короткие замыкания и обеспечивают безопасность. Однако при слишком высоком напряжении даже лучшие изоляторы могут разрушиться — это явление называется электрическим пробоем.

Почему это происходит? Как можно предсказать, при каком напряжении диэлектрик перестанет работать? На эти вопросы отвечают две известные теории: теория Хиппеля-Каллена и теория Фрелиха. В этом реферате мы разберем их простыми словами, чтобы даже студент первого курса мог понять, как устроен пробой твердых диэлектриков.

1. Что такое электрический пробой?

Электрический пробой — это резкое падение сопротивления диэлектрика, из-за которого через него начинает течь ток. Это приводит к повреждению материала: он может обуглиться, расплавиться или даже взорваться.

2. Как это выглядит на практике?

Электрический пробой твердых диэлектриков представляет собой сложный физический процесс, при котором материал, обычно являющийся изолятором, внезапно теряет свои диэлектрические свойства и начинает проводить электрический ток. Это происходит, когда приложенное электрическое поле достигает критического значения, достаточного для нарушения внутренней структуры материала. В нормальных условиях диэлектрик сопротивляется прохождению тока, но под действием сильного поля в нем начинают происходить необратимые изменения.

Внутри диэлектрика всегда присутствует некоторое количество свободных зарядов, которые могут стать причиной пробоя. Эти заряды появляются из-за теплового движения, примесей в материале или внешних воздействий, таких как радиация. Когда к диэлектрику прикладывается напряжение, электрическое поле начинает ускорять свободные электроны. Если поле достаточно сильное, электроны разгоняются до таких высоких энергий, что при столкновении с атомами выбивают из них новые электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией и приводит к образованию электронной лавины - цепной реакции, при которой количество свободных носителей заряда растет в геометрической прогрессии.

Развитие пробоя может происходить по-разному в зависимости от условий. В одних случаях процесс протекает практически мгновенно - за наносекунды, особенно при воздействии импульсных высоковольтных разрядов. В других ситуациях пробой развивается постепенно, когда материал сначала нагревается из-за диэлектрических потерь, затем его сопротивление медленно снижается, пока не происходит окончательный пробой. Особый случай представляет собой электромеханический пробой, когда сильное электрическое поле создает механические напряжения в материале, приводящие к образованию трещин и последующему разрушению.

3. Как ведут себя диэлектрики в электрическом поле?

Диэлектрики (изоляторы) — это материалы, которые плохо проводят ток. Но если приложить к ним достаточно высокое напряжение, их свойства меняются:

Поляризация — смещение зарядов внутри материала (электроны смещаются, но не уходят далеко от ядер).

Токи утечки — очень слабый ток, который все же может протекать через диэлектрик.

Пробой — если поле слишком сильное, электроны "вырываются" и начинают свободно двигаться, вызывая резкий рост тока.

2. Основные виды пробоя твердых диэлектриков

Пробой может происходить по-разному в зависимости от условий:

1. Тепловой пробой

Возникает из-за перегрева материала при длительном воздействии напряжения;

Развивается по цепной реакции: нагрев → снижение сопротивления → рост тока → усиление нагрева;

Характерное время развития: от секунд до часов;

Типичные последствия: плавление, обугливание, термическое разложение;

Наиболее подвержены: полимеры (полиэтилен, ПВХ), органические диэлектрики.

2. Электронный (ударный) пробой

Обусловлен лавинообразным размножением электронов;

Свободные электроны разгоняются полем и ионизируют атомы;

Развивается чрезвычайно быстро (наносекунды);

Образуется проводящий плазменный канал;

Характерен для: кристаллических диэлектриков, тонких пленок.

3. Электромеханический пробой

Вызван механическими напряжениями от электрического поля;

Приводит к образованию трещин и разрушению структуры;

Особенно опасен для хрупких материалов;

Типичные материалы: керамика, стекло, слюда;

Часто сопровождается характерным треском.

4. Частичные разряды

Локальные микроразряды в неоднородностях материала;

Возникают в пустотах, на границах раздела, в трещинах;

Постепенно разрушают материал (эффект "старения" изоляции);

Особенно опасны при переменном напряжении;

Основные места возникновения: кабельная изоляция, обмотки трансформаторов.

5. От чего зависит электрическая прочность диэлектриков

На пробой влияет множество факторов:

• Толщина диэлектрика (прямая зависимость);

• Температура (обратная зависимость);

• Частота напряжения (риск растет с частотой);

• Чистота и однородность материала;

• Время воздействия напряжения;

• Влажность и условия окружающей среды;

• Наличие механических напряжений;

• Скорость нарастания напряжения.

3. Теория пробоя Хиппеля-Каллена: ударная ионизация

Теория Хиппеля-Каллена, разработанная в 1930-х годах, представляет собой классический подход к объяснению электрического пробоя твердых диэлектриков через механизм ударной ионизации. В основе теории лежит представление о лавинообразном умножении свободных электронов в сильном электрическом поле. Согласно этой концепции, пробой возникает, когда единичные свободные электроны, существующие в диэлектрике благодаря тепловым флуктуациям или примесям, начинают ускоряться под действием приложенного напряжения.

При достижении критической энергии эти электроны способны ионизировать атомы кристаллической решетки при столкновении, выбивая новые электроны. Вновь образованные электроны, в свою очередь, ускоряются полем и также участвуют в процессе ионизации. Так возникает электронная лавина - цепная реакция, приводящая к экспоненциальному росту числа свободных носителей заряда. Критическим условием пробоя считается момент, когда концентрация свободных электронов достигает значения, достаточного для образования проводящего канала через весь диэлектрик.

Теория вводит важный параметр - коэффициент ударной ионизации α, который характеризует количество актов ионизации на единицу длины пути электрона. Пробой наступает, когда интеграл этого коэффициента по толщине диэлектрика достигает критического значения. Данный подход хорошо описывает поведение относительно толстых диэлектрических слоев (от микрометров и выше) при высоких напряженностях поля, где преобладают классические процессы взаимодействия электронов с решеткой.

Особенностью теории Хиппеля-Каллена является ее зависимость от температуры. С ростом температуры увеличивается концентрация начальных свободных электронов, что снижает пороговое напряжение пробоя. Теория успешно объясняет экспериментально наблюдаемую зависимость пробивного напряжения от толщины диэлектрика и температуры, а также хорошо согласуется с данными для многих кристаллических и аморфных материалов при комнатных и повышенных температурах.

В диэлектрике есть свободные электроны (из-за примесей или тепловых колебаний).

В сильном электрическом поле они разгоняются.

При столкновении с атомами выбивают новые электроны.

Число свободных электронов растет как лавина — происходит пробой.

Формула пробоя

Теория описывает условие пробоя через коэффициент ударной ионизации (α):

Где:

α — сколько новых электронов рождается на единицу длины,

d — толщина диэлектрика,

K — константа, зависящая от материала.

Где применяется?

Хорошо работает для толстых слоев диэлектрика (например, в высоковольтных кабелях).

Объясняет пробой в таких материалах, как слюда, полиэтилен, стекло.